自动控制系统的分类、渡过程和品质指标

1、绪 论自动化技术在工业、农业、科技以及人们的日常生活中发挥着重要的作用。自动化技术作为国家高科技的重要组成部分，其水平高低已成为衡量国家科技实力和各个行业现代化水平的重要标志。化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化简称化工自动化。即在化工设备上，配备一些自动化装置，自动测量生产过程中的重要工艺参数，并与计算机（或自动操纵装置）、执行机构相配合实现对生产过程的自动操纵。这种用自动化装置来治理化工生产过程叫化工自动化。 实现化工生产自动化目的（重要意义）加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量。减轻劳动强度，改善劳动条件，使工人从繁重的劳动中解脱出来。保证安全生产，防止事故发生与扩大

2、，延长设备使用寿命，提高设备利用能力。改变劳动方式，使工人逐步由体力劳动转向脑力劳动。组成一个完整的生产过程操纵系统一般有操纵器、执行器、被控过程（或被控对象）和测量变送器四个环节，其中操纵器、执行器和测量变送器都属于检测操纵仪表。一般认为自动操纵系统由检测操纵仪表和被控过程（被控对象）两部分组成。 大型化、现代化、多品种、精细化的过程生产系统生产自动化的进展过程可分为三个时期。 第一时期：采纳一些自动检测仪表检测要紧工艺参数，第二时期：采纳先进的自动检测仪表和操纵系统 第三时期：开始采纳电子计算机操纵，生产过程操纵的进展由原来车间集中操纵转向工厂综合自动化进展（平面化治理），这是目前自动化进

3、展的一个重要方向。实现化工生产过程自动化，一般要包括自动检测、自动爱护、自动操纵和自动操纵等方面的内容。自动检测系统:利用各种检测仪表对要紧工艺参数进行自动检测、指示或记录，“了解”生产进行的情况。自动信号和连锁爱护系统：是生产中的一种安全装置。自动信号和连锁爱护系统:对某此关键性参数设有自动信号联锁装置，当工艺参数超过了同意范围，系统自动地发出声光报警信号，以提示及时采取措施。自动操纵系统:依照预先规定的步骤自动地对生产设备或生产过程进行某种周期性的操作。自动开停车系统：按照预先规定的步骤，使生产过程自动投入运行或自动停车。 自动操纵系统:对生产中某些关键性参数进行自动操纵，使它们在受到干扰

4、的阻碍而偏离正常状态时，能自动地调回到规定的的数值范围内。 自动操纵系统是自动化生产的核心部分，（液位变送器）（操纵器）（执行器） 自动操纵系统是在人工操纵的基础上产生和进展起来的，其要紧装置包括测量元件与变送器、自动操纵器、执行器，分不代替了人的眼、脑、手三个器官。1.自动操纵系统的组成（1） 被控对象:在自动操纵系统中，我们将需要操纵其工艺参数的生产设备或机器。（2） 自动操纵装置起操纵作用。 测量元件与变送器 检测工艺参数（或再转换成某一特定信号如电流、电压、气压信号） 自动操纵器 依照变送器送来的信号与工艺上要求的参数进行比较运算，并发出信号到操纵阀。 执行器：依照操纵器送来的信号对阀

5、门的开度进行调解。2.信号和变量那个信息确实是信号（电压、电流、压力、位移等等）也叫变量。 指向方框的信号U表示施加到系统或环节上的独立变量，称为输入变量，离开方框的信号表示系统或环节送出的变量，称为输出变量设定值（给定值）：被控变量的目标值（预定值），称为设定值 进水量Q1会引起水位变化，这种引起被控变量波动的外来因素，在自动操纵系统中称为干扰（或扰动）引起水位变化的出水量Q2，它是执行器操纵阀动作的结果，是操纵系统来以补偿干扰的作用，Q2具有实现操纵作用的参数叫操纵变量，即受操纵器操纵，用以使被控变量保持设定值（给定值）的物料量或能量，称为操纵变量。操纵阀输出的q的变化称为操纵作用，操纵作

6、用和干扰差不多上作用于对象的输入信号，它们对对象的作用方向是相反的。Q2的流体叫操纵介质，能够是流入对象的，也能够是对象流出的。故自动操纵系统是一个闭环系统。闭环系统自动操纵系统的方块图中信号沿箭头方向前进,通过若干环节后,最后又返回到起始点。开环系统 自动操纵系统的方块图中信号沿箭头方向前进,最后返回不到起始点。 操纵系统的输出信号(被控变量)不反馈到系统的输入端，因而也不对操纵作用产生阻碍的系统，称为开环操纵系统。把系统(或环节)的输出信号直接或通过一些环节重新引回到输人端的做法叫做反馈。反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈；反之为正反馈。在闭环操纵系

7、统中，把输出信号（被控变量）通过测量元件和变送器后，又返回到系统的输入端，与给定值进行比较，这种系统的输出信号直接或通过一些环节返回到系统的输入端的做法叫反馈。负反馈反馈信号能使原来的信号减弱。与原来信号方向相反。正反馈反馈信号能使原来信号加强。自动操纵系统操纵方法差不多上是采纳负反馈的方法。自动操纵系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，1.3自动操纵系统的分类1. 按被控参数分类：温度、流量、压力、液位等操纵系统。 2. 按操纵系统所处理的信号方式来分：有模拟操纵系统与数字操纵系统。模拟信号：在时刻上是连续变化的，在任何瞬时都能够确定其数值的信号，可转换为电信号。在生产过程中任何连续变化的物理

8、量和物理量都属于模拟信号。数字信号：以离散形式出现的不连续的信号，数字量的增减只能一个一个单位增加或减小。模拟信号和数字信号能够互相转换。4.按操纵器具有的操纵规律分类：位式自动操纵系统、比例（P）、比例积分(PI)、比例微分(PD)、比例积分微分(PID)等操纵系统。 5. 按操纵系统的复杂程度 简单操纵 复杂操纵：均匀操纵、串级操纵、前馈操纵 （1）定值操纵系统：被控变量的给定值恒定不变。定值操纵系统的差不多任务是克服扰动对被控变量的阻碍，（2）随动操纵系统（自动跟踪系统）：给定值是不断变化的且无规律，是随机变化的。随动操纵系统操纵的目的，是使所操纵的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而

9、变化。（3）程序操纵系统（顺序操纵系统）：工艺参数的给定值按一定的规律变化，是已知的时刻函数。即设定值按一定的时刻程序变化。9. 按信号种类分类：气动操纵系统，电动操纵系统1.4 自动操纵系统的过渡过程和品质指标 在自动化领域内要研究两种状态：静态和动态。这种被控变量不随时刻变化的平衡状态称为系统的静态。动态:被控变量随时刻变化的不平衡状态称为系统的动态。 系统从一个平衡态过渡到另一个平衡状态的整个过程叫系统的过渡过程。阶跃干扰，确实是在某一瞬间，输入量突然阶跃式地加到系统上，并接着保持在那个幅度上，自动操纵系统的过渡过程实质上是操纵作用不断克服干扰作用阻碍的过程。衡量系统的操纵质量的依据是系

10、统的过渡过程，在过渡过程中，被控变量是随时刻变化的，不同的过渡过程，被控变量随时刻的变化情况不一样1.非周期衰减过程被控变量在给定值的某一侧做缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某一数值上。2.衰减振荡过程被控变量上下波动，但幅度逐渐减小，最后稳定在某一数值上，这种过渡过程形式叫衰减振荡过程。能使系统较快地稳定下来，希望是这种过程。（1、2差不多上衰减过程，称为稳定过程。）3.等副振荡过程被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变，永久可不能稳定下来。属于不稳定过程，在要求y稳定的系统不采纳，调节质量要求不高时用。4.发散振荡过程被控变量来回波动，且波动幅度越来越大，即偏离给定值越来越远。

11、在自动操纵系统应幸免，以免出现危险事故。（3、4不稳定过程） 操纵系统的品质指标衡量系统操纵的质量确实是要依据过渡过程的品质指标。自动操纵系统在阶跃干扰作用下，一般都希望得到衰减振荡过程。最大偏差或超调量：最大偏差（动态偏差）是指在过渡过程中，被控参数偏离给定值的最大数值A(最大偏差表示系统瞬时偏离给定值的最大程度)。偏离越大，偏离的时刻越长，系统离开规定的工艺参数指标就越远，甚至会造成一波未平一波又起，波峰叠加，使被控变量振荡加剧，对稳定正常生产不利，有的甚至会超过危险极限造成事故，故要加以限制，越小越好。最大动态偏差或超调量是描述被控参数偏离给定值的最大程度。最大动态偏差是反映操纵系统动态

12、准确性的指标，也是衡量过渡过程稳定性的动态指标。衰减比：衰减比是相邻两个峰值的比，衰减比是表示振荡过程衰减的程度，是衡量过渡过程稳定性的动态指标。 余差：当过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与给定值之间的偏差叫做余差（C），或者讲余差确实是过渡过程终了时的残余偏差。有正有负。 余差是衡量操纵系统静态稳定性的指标。被控参数越接近给定值越好，亦即残差越小越好。过渡时刻 ：从干扰作用发生的时刻起,直到系统重新建立新的平衡时止,过渡过程所经历的时刻叫做过渡时刻或操纵时刻. 振荡周期 （或 频率）T：过渡过程两个相邻的同向波峰(或波谷)之间经历的时刻叫振荡周期或工作周期. 振荡周期的倒数称为振荡

13、频率. 频率=1/周期衰减比（反映被控变量振荡的程度）、最大偏差、超调量（稳定性）是表示系统的稳定性，过渡时刻表示系统的快慢性能，余差表示系统静态特性的好坏，也反映了系统的精度。操纵系统的品质指标是过程操纵系统研究的核心标准问题。自动操纵系统由两大部分组成: 工艺过程部分（被控过程）和自动化装置部分。自动装置部分：实现自动操纵必备的自动化仪表、设备。包括测量与变送装置、操纵器和执行器三部分。 自动操纵系统是由被控对象、测量元件及变送器、操纵器和执行器组成的，系统的操纵质量与组成系统的每一个环节的特性和作用都有关系，特不是被控对象的特性对操纵质量的阻碍，往往是确定操纵方案的依据。干扰作用和操纵作

14、用都能够看成对象的输入量，能够叫输入变量。输出量(输出参数):被控变量（被控参数）。1通道 ：由对象的输入变量至输出变量的信号联系称之为通道 操纵通道:操纵作用至输出变量的信号联系。是描述操纵变量与被控变量之间的关系。 干扰通道:干扰作用至输出变量的信号联系。是描述干扰与被控变量之间的关系。被控对象的特性：在给被控对象一个输入作用下，其输出变量是如何随着输入作用变化而变化，变化的快慢及最终变化的数值等。静态特性：给对象一个输入，当系统达到平衡状态时，输入变量与输出变量之间的关系。动态特性：指系统在受到输入作用时，由一个平衡态向另一个平衡态过渡的整个过程中，输出变量随输入作用的变化。静态数学模型

15、描述的是对象在稳定时（静态）的输入与输出关系；动态数学模型描述的是在输入量改变以后输出量跟随变化的规律；动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例。研究对象的动态特性，确实是要找出描述对象动态的数学模型。二.建立对象数学模型的方法对象特性的研究一般有两种方法机理分析法（亦称化工动态学的方法）关于简单的对象或系统各环节的特性，依照系统工艺实际过程的数质量关系，分析计算输入量与输出量之间的关系。即能够通过分析过程的机理、物料或能量平衡关系求得数学模型，即对象动态特性的微分方程式，这种方法称为机理分析法。（机理模型）对象特性的机理分析法的最差不多关系是物料平衡和能量

16、平衡。在静态条件下，其关系是：单位时刻流入对象的物料或能量 = 系统中流出的物料或能量在动态条件下，物料平衡和能量平衡的关系是：单位时刻内进入系统的物料 单位时刻内流出的物料 = 系统内物料贮存量的变化率（2）实验测定法（系统辨识）有些复杂系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过计算来获得的，对象的微分方程式专门难建立，也不容易求解。因此，另一种方法是通过实验测定，需要在实际系统或实验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变化规律反映输入与输出关系的经验曲线和经验函数关系。对获得的数据进行科学处理而求得对象的微分方程式或传递函数，这种方法称为实验测定法。（经验模型）把两种方法结合起来，要紧通过机

17、理分析，得出模型的结构或函数形式，再通过实验测得输入输出数据确定其中的部分参数(参数可能)，得到的模型称为混合模型。三数学模型的表示方法：非参量模型：用曲线、图表表示的系统输入与输出量之间的关系。特点：简单、形象、较易看出对象的特征。参量模型：用数学方程式表示的系统输入与输出量之间的关系。 （参量指变量，即输入变量、输出变量）一阶对象 所谓单容过程是指只有一个储蓄容量的被控过程。 当单位时刻内流入对象的物料不等于流出对象的物料时，表征对象物料蓄存量的参数就要随时刻而变化，而其关系则是微分方程。求出对象输出输入之间的微分方程，假如对象的动态方程是一阶微分方程。对象的特性，即对象的输出量是如何随输

18、入量变化而变化，在实际工作中常用三个物理量来表示 K、T、。一.放大系数K K在数值上等于对象受干扰作用，重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。物理意义：K在数值上等于对象的输出变化量与输入变化量之比，假如有一定的输入变化量Q1，通过对象就被放大了K倍，变为输出变化量h。放大系数：达到稳定状态时，对象输出变化量y和输入变化量x之比。 （）放大系数是描述对象静态特性的参数。关于对象操纵通道放大系数K0,一般希望K0适当大一些，K0越大，表示被控变量对操纵作用有足够大的灵敏度，使操纵作用更为有效。关于对象干扰通道的放大系数Kf，则应愈小愈好，Kf小表示干扰对被控变量的阻碍小。二.时刻常数T 时刻

19、常数T:指当对象受到阶跃输入作用后，被控变量假如保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时刻。或当对象受到阶跃作用后，被控变量达到新的稳态值的63.2%所需时刻。时刻常数是反映被控变量变化快慢的动态参数，T越大，表示对象受到干扰作用后，被控变量变化得越慢，达到新稳态值时时刻越长，惯性越大。关于干扰通道的时刻常数Tf越大，对y的阻碍也越迟缓，操纵越容易。滞后时刻 有的对象在受到输入作用后（如一阶对象在受阶跃作用下），输出变量立即开始变化；而有的对象如二阶以上对象，在受到输入作用后，输出变量不能立即而迅速地变化，对象的输出变化落后于输入的现象，称为对象的滞后。依照滞后性质不同可分为传递滞后和容量滞后

20、 1传递滞后： 传递滞后又叫纯滞后（0），对象受到输入作用时，其输出变量要通过一段时刻才开始变化，这种现象叫传递滞后。滞后时刻用00产生的缘故：一般是由于介质的传输、能量的传递、信号的传送需要一段时刻而引起的，例如皮带输送机。另外，检测方案不合理，也可产生纯滞后，容量滞后h对象受到输入作用时，输出变量开始变化专门慢，后来才逐渐加快，再之后又逐渐变慢直到达到稳定值，这种现象叫容量滞后（或过渡滞后）。h滞后时刻是纯滞后时刻0和容量滞后h的总和。和T反映被控变量受到输入作用后的变化规律，也确实是反映系统过渡过程中的变化规律。滞后时刻对对象的操纵通道是不利的，假如存在于操纵参数方向，使其不能及时地起操

21、纵作用；假如存在于被控参数测量方向，系统受到输入作用后，由于存在滞后，被控参数不能立即反映出来，操纵器就不能及时觉察到偏差，不管哪一种情况都使操纵作用落后于被控参数的变化，容易引起超调，不利于操纵，因此在设计和安装操纵系统时，都应当尽量把滞后时刻减小到最小。2. 阶跃反应曲线法通过调节量的一个阶跃变化查找对象的动态特性。优点：简单易行。缺点：精度低。3. 周期脉冲法通过调节量的周期变化（矩形波或正弦变化），猎取对象的动、静态特性。优点：能反应条件波动时的结果。缺点：不能用于大滞后系统。用来测量化工生产过程中的压力、流量、物位、温度等参数的仪表称为化工检测仪表。 传感器 ：用来将这些参数转换为一

22、定的便于传送的信号的仪表叫传感器。变送器 ：将所测得的工艺参数检测出并转换为统一的标准信号，送往操纵器或显示仪表，则传感器就为变送器。一测量过程与测量误差1测量过程：将被测参数与其相对应的测量单位进行比较的过程。 由仪表读得的被测值与被测量真值之间，总存在一定的差距，这一差距称为测量误差测量误差通常用绝对误差和相对误差两种方法表示。绝对误差()：理论上是指仪表指示值XI和被测量的真实值Xt之间的差值。（2）相对误差(y)relative error：某一点的绝对误差与它的真实值xt（或x0）之比。衡量仪表优劣的性能指标 1.精度等级 2.指示变差（恒定度）3.灵敏度和灵敏限 4.分辨力5.线性

23、度6.反应时刻2.指示变差（恒定度）测量的正行程：被测参数由小变大。测量的反行程：被测参数由大变小。指示变差：指在相同的外界条件下，使用同一仪表对相同的被测参数值进行正（被测参数由小到大）反（由大到小）测量时，得到的仪表指示值是不相等的，正反行程指示值之差称为该仪表在该读数点的指示变差。3灵敏度(S)与灵敏限（也叫灵敏域）sensitivity 灵敏度(S): 灵敏度是反映仪表对被测参数变化的灵敏程度。仪表的指针线位移(或角位移)(a)与引起那个线（或角）位移的被测参数变化量(X)的比值. S为仪表灵敏度S在数值上等于单位被测参数变化量所引起的仪表指针移动的距离(或转角)S越高，X略微变化，a

24、变化较大，越灵敏，越能观看微小的参数变化。灵敏限: 能引起仪表指针发生动作的被测参数的最小变化量。反应时刻 因此仪表的反应时刻长短，实际上是反映了仪表动态特性的好坏，是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标.线性度 线性度用来讲明输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度。线性度：通常用实际测得的输入输出特性曲线（标定曲线）与理论拟合直线之间的最大偏差与测量仪表满量程输出范围之比的百分数表示。 f越大，线性度越不行。重复性表示测量仪表在测量被测参数时，在被测参数按同一方向作全量程连续多次变动时所得标定特性曲线不一致的程度。若标定的特性曲线一致，重复性就好，重复误差小。重复性误差：用各测

25、量点指示值的最大偏差Zmax与测量仪表满量程输出范围之比的百分数来表示。常见的便于传输和显示的信号类型有：位移信号 2压力信号 3电信号 4光信号 测量系统中信号的传递形式从传递信号的连续性的观点来看，在检测系统中传递信号的形式能够分为模拟信号、数字信号和开关信号。五.工业仪表的分类 按仪表使用的能源分类(1) 气动仪表:以压缩空气为能源，结构比较简单、直观、可靠；抗干扰能力强；价格低廉、防火防爆；然而信号传递慢，距离短，不宜实现远距离大范围的集中显示与操纵，与计算机联用比较困难。 (2)电动仪表:以电能为能源，信号之间联系方便；适于远距离传送和集中操纵 、便于与计算机联用，可防火防爆；但结构

26、复杂，易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境阻碍。 (3)液动仪表:信息的获得、传递、反映、和处理的过程分类: (1)检测仪表：作用是猎取信息，并进行适当转换。在生产过程中，要紧用来检测某些工艺参数（如为温度、压力、流量、物位等），并将被测参数的大小成比例地转换成电的信号（电压、电流、频率等）或气压信号。 (2)显示仪表：作用是将由检测仪表获得的信息显示出来，包括各种模拟量、数字量的指示仪、记录仪和积算器，以及工业电视、图像显示器等。 (3)集中操纵装置：包括各种巡回检测仪、巡回操纵仪、程序操纵仪、数据处理机、电子计算机以及仪表操纵盘和操作台等。 (4)操纵仪表：能够依照需要对输入信号进行各种运

27、算（如放大、积分、微分等）。包括电动、气动操纵器以及用来代替模拟操纵仪表的微处理机等。 (5)执行器：能同意操纵仪表的输出信号或直接来自操作人员的指令，对生产过程进行操作或操纵。包括各种气动、电动、液动执行机构和操纵阀。 按仪表的组成形式来分类:基地式仪表:将测量、显示、操纵等各部分集中组装在一个壳体内，形成一个整体。适于现场就地检测和操纵，不适合多种参数的集中显示与操纵，使使用受到限制。 (2)单元组合式仪表:将对参数的测量及其变送、显示、操纵等各部分分不做成只能完成某一特定功能而又能各自独立工作的单元仪表，这些单元之间通过统一的标准信号相互连联系起来。（检测单元、变送、显示、操纵）。这些单

28、元可方便地任意组合成各种操纵系统，有用性和灵活性好。1压力：指均匀垂直的作用于单位面积上的力。物理学上称为压强，工业上称为压力。压力可用公式表示为： 绝对压力：以绝对零压力为准来表示的压力。表压:p表压 = p绝对压力 - p大气压真空度(被测压力低于大气压):p真空度 = p大气压力 - p绝对压力 2压力表的分类 测压仪表或真空度仪表种类专门多，按照其转换原理不同,可分为四大类: 液柱式压力计：依照流体静力学原理，将被测压力转换成液柱高度进行测量。适合测量低压、负压、或压力差。按其结构形式不同，有U型管压力计、单管压力计、斜管压力计等。 优点：结构简单，价格廉价，精度较高，在现场和实验室中

29、使用。 缺点：体积较大，读数不方便，只能目测，不能远传，而且测量结果会受毛细管作用、密度、视差阻碍，玻璃管易破裂，测量范围窄，测低压、负压，因而应用领域有一定的局限性。企业常用的是可变倾斜管微压计。 要紧用于实验室或工程实验上适用。弹性式压力计： 将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量，有弹簧管压力计、波浪管压力计、膜片式压力计等。在工业上应用相当广泛。 结构简单，价格廉价，测量范围广，现场使用，维修方便，工业上应用广泛。电气式压力计 ：通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（电气信号，如电压、电流、频率等）进行测量，有电容式、电阻式、电感式、应变片式、霍尔片式。还有力平衡式压力变送器、电

30、容式压力变送器等。 多用于远传和集中操纵，适用范围广，是一种有进展前景的压力表。活塞式压力计：依照液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的重量进行测量。 测量范围大，精度高，同意误差可小到0.05%0.02%，但必须人工增减砝码，不能自动测量。结构复杂，价格较贵，常用检验工业压力表的标准仪表，不适于现场适用。 工业生产中最常用的是弹性式压力计和电气式压力计。二.弹性式压力计原理：是利用各种形式的弹性元件。在被测压力的作用下,弹性元件受压后产生弹性形变的原理而制成的压力仪表.依照虎克定律，在弹性限度内，弹簧伸长或缩短的长度与受到的拉力或压力成正比。 特点: 结构简单、使用可靠、价

31、格低廉、测量范围广、有足够的精度，精度等级最高可达0.1级，测量几百Pa几千MPa，现场广泛使用，维修方便，若附加其他装置，如记录机构、电气转换装置、操纵元件等，可实现压力的记录、远传、信号报警、自动操纵等。在工业上是应用最广泛的一种测压仪表。 1.弹性元件：是弹性式压力计的测压敏感元件，依照测量范围及被测介质不同，所用的弹性元件的材料及形状也不一样。三电气式压力计电气式压力计是泛指各种能把压力转换为电信号输出，然后测量电信号的压力表。特点：能够远距离传送信号，和计算机连用，精度高，结构复杂。这类仪表品种专门多，各有特点。由于能够远距离传送信号，可实现压力自动操纵和报警，因此广泛用于操纵系统中

32、。一般有压力传感器、测量电路和信号处理装置组成。压力传感器把压力信号检测出来，并转换成电信号输出，若再进一步转换为标准信号时，则又称为压力变送器。（信号处理装置包括指示器、记录器、微处理机等。(应变片式压力传感器、压阻式压力传感器、 电容式压力传感器)压力计的选用及安装压力计的选用（1）仪表类型的选用： 考虑：1）满足工艺生产要求，例如是就地依旧远传、自动记录、报警、压力测量精度、被测压力高低。2）被测介质的物化性质，如粘度、腐蚀性、爆炸性等。3）现场环境条件（如高温高压、电磁场等）。确定仪表的测量范围（被测量可按规定精度进行测量的范围）精度等级：依照生产上所同意的最大测量误差来选定义流量：是

33、指单位时刻内流过管道某一截面的流体数量，即瞬时流量。总流量:某一段时刻内流过管道流量的总和叫总流量，即流体在某一段时刻内的流量累计值。流量的表示方法： 单位时刻内流过的流体以质量表示的称为质量流量(M) 以体积表示的称为体积流量(Q). 两者的关系为 或 （表示流体密度） 或 （t表示时刻） 测量流体流量的仪表叫流量计 测量流体总量的仪表叫总量计.流量计的种类（1）速度式流量仪表 以测量流体在管道内的速度作为测量依据来计算流量的仪表。例如、靶式流量计、堰式流量计等。（2）容积式流量计 以单位时刻内所排出的流体的固定容积的数目作为测量依据来计算流量的仪表。例如、椭圆齿轮流量计、活塞式流量计等。（

34、3）质量式流量计 流体的体积是流体温度、压力和密度的函数。例如惯性式质量流量计、补偿质量流量计等。二.压差式流量计 压差式流量计是基于流体的节流原理,利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的。 差压式流量计的组成 :节流装置 将被测流量转换成压力差信号，包括节流件（阻流件：孔板、喷嘴、文丘里管）和取压装置（导压管）。测压仪表：用来测量压差而显示流量，有差压计和差压变送器。（例如用U型管差压计测出P，计算Q。流体在管道中流淌时,在节流装置前后的管壁处,由于管道截面发生变化形成流束收缩，流淌速度增加，压力下降，因而在节流装置前后产生压力差，这种现象称为节流现象3.差压式流量计的测量误差（

35、1）造成测量误差的缘故被测流体工作状态节流装置安装不正确 孔板入口边缘的磨损 导压管安装不正确，或有堵塞、渗漏等现象差压计安装或使用不正确三转子流量计 1.特点：（1）适于小管径（50mm）小流量的测量（用其他标准节流装置测量误差大）（2）压力损失小，反应快。（3）结构简单，价格廉价。（4）精度受所测介质压力、温度、粘度阻碍比较大。差压式流量计是在截流面积不变的条件下，以压差变化来反映流量大小。转子流量计是以压降不变，利用截流面积的变化来测量流量的大小，是恒压降，变节流面积的流量测量方法。结构：由一个锥形管和一个转子组成，锥形管玻璃，能够看到转子的高度。4. 电远传式转子流量计（转子高度信号电

36、信号）（LZD）分两大部分：流量变送部分、电动显示部分转子流量计适用范围：适合测量较小的流量，如可测量气体或液体的流量（粘度大的液体除外），比较适合于实验室或仪器装置中的流量指示和监视。五椭圆齿轮流量计(容积式流量计）4要紧特点 由于椭圆齿轮流量计是直接按照固定的容积计量流体的，因此测量精度与流体的流淌状态无关，被测介质的粘度越大，齿轮间的泄漏量越小，测量误差越小，特不适于高粘度流体的测量。 （1）最适用于高粘度流体的流量测量（2）所测流量不能太小（3）流体不能有固体颗粒，机械夹杂物，否则会引起齿轮磨损，以致损坏（4）使用温度有一定范围1060之内。温度过高，会使齿轮发生卡死测量精度高，只要加

37、工精确，配合紧密，便可得到极高的精度，一般可达0.2%0.5%，故常作为标准表及周密测量之用。量程范围大，使用寿命长，压力损失小，安装使用较方便，结构复杂，加工制造困难，成本较高。使用不当或过久，会发生泄漏现象，引起较大测量误差。六.涡轮流量计 是利用置于流体中的涡轮的转速与流体速度成比例的关系，通过测量涡轮的转速来间接测得通过管道的体积流量。特点测量精度高，复现性和稳定性好，量程范围宽，耐高压，反应快，可测脉动流量（适于流量快速变化的流量测量）。输出电频率信号，便于远传，不受干扰。被测介质不能带机械杂物，否则磨损涡轮且使精度降低。设备复杂，造价高，抗干扰能力小（受日光灯等干扰），为保证流向稳

38、定，在涡轮前后要加直管道。 由于涡轮高速转动，轴承易损，降低了长期运行的稳定性，阻碍使用寿命。4. 适用范围可用于测量气体、液体流量，但要求被测介质洁净，不适用于对粘度大的液体流量，要紧用于精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量计的标准仪表。七电磁流量计（速度式仪表 测量具有导电性的液体介质测酸、碱、盐溶液，含有固体颗粒液体或纤维液体。3. 特点（1）只能测量导电的液体，导电率必须大于水，最适合酸、碱、盐液体，不能测量油类或气体的流量。在管道中不设任何节流元件，因此能够测量各种高粘度的导电液体，特不适合测量含有纤维和固体颗粒的流体。在采纳防腐衬里的条件下，能够测量各种腐蚀性液体的流量

39、。精读可达0.5级。（2）其输出信号与流量之间的关系不受液体的物理性质（例如温度、压力、粘度等）变化和流淌状态的阻碍。对流量变化反应速度快，故可用来测量脉动流量。（3）压力损失比较小，结构复杂，成本高。（4）要求环境要高，容易受外界磁电场干扰的阻碍，使用不当会大大阻碍测量精度。安装时要远离一切磁源（如大功率电机、变压器等），不能有振动。4.适用范围：适用于含有颗粒、悬浮物等流体的流量测量；由于电极和衬里是防腐的，故可用来测量腐蚀性介质的流量；电磁流量传感器的输出与流量呈线性关系，反应迅速，可测量脉动流量。然而，被测介质必须是导电的液体，不能用于气体、蒸汽及油类制品的流量测量。八漩涡流量计（又称

40、涡街流量计）能够用来测量各种管道中的液体、气体、蒸汽的流量，是目前工业操纵、能源计量及节能治理中常用的新型流量计。1. 原理：利用有规则的漩涡剥离现象来测量流体流量的仪表。元件柱状物作为漩涡发生体，垂直插入流体中。漩涡频率的检测有热学法、电容法、差压法等 特点：测量管内无运动部件，无机械磨损、使用寿命长，安装维护方便、水平或垂直安装均可，工作可靠、压力损失小（约为孔板流量计压力损失的1/41/2）。测量精度高，可达1级。测量范围宽，其读数不受流体物理状态如温度、压力、密度及组成成分的阻碍，一次标定后无需再修正或换算，可测液体和气体流量，且节能效果明显。其输出的脉冲信号，易于和数字仪表及计算机配

41、合使用。九质量流量计质量流量计分两大类：一类是直接式质量流量计：直接得到与质量流量成比例的信号。另一类是补偿式或推倒式质量流量计，同时检测出流体流量和流体的密度，然后通过运算器得出与质量流量成比例的输出信号。在容器中液体介质的高低液位，测量液位的仪表液位计 容器中固体或颗粒状物质的堆积高度料位，测量料位的仪表料位计两种密度不同液体介质的分界面界位，仪表界面计上述三种仪表统称为物位仪表一概述1物位测量的意义（1）通过物位的测量能够获知容器中所储物质（原料、半成品或成品）的体积或质量，掌握物料的数量，以保证能连续供应生产过程中各个环节所需的原料用量或进行经济核算计量作用。需要特不准确测量出物位的绝

42、对值。（2）依照物位来连续监视或调解容器中流入流出物料平衡，以便使它保持在工艺要求的范围，使生产过程正常进行，保证产品的质量、产量、安全连续操纵生产工艺过程，保证质量。要特不准确地测出物位的相对值。（3）监视或操纵容器中介质的物位，对它上下限进行报警，一旦物位超出同意的上、下限则报警，以便采取紧急措施。操纵生产，幸免危险。2物位计分类：物位仪表的种类专门多，按其工作原理要紧有下列几种类型（1）直读式物位仪表：用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机玻璃）作为容器壁的一部分或连通管，可直接显示容器内液位的高低。如玻璃管液位计、玻璃板液位计等。（2）差压式物位仪表：利用物料内静压力与物料深度或堆积高度成

43、正比的关系进行测量。又分为压力式物位仪表（用压力表示其高度）和差压式物位仪表（间接测量此点对另一参考点的压力差）。 （3）浮力式物位仪表：利用漂移于液面上的浮子高度随液位变化而改变（称为恒浮力式液位计）或浸沉于液体中的浮子（或沉筒）所受的浮力随液位高度而变化的原理（变浮力式液位计）。前者又分为有带钢丝带式浮子液位计 、带杠杆浮球式液位计等；后者典型的敏感元件为浮筒，又称为沉筒式液位计。浮力式液位计结构简单、直观可靠、受外界温度、湿度和压力等因素阻碍较小，应用比较普遍。要紧缺点是使用机械结构、摩擦力较大。（4）电磁式物位仪表：将物位的变化转换为电量的变化，测出电量的变化来测知物位。依照转换成电量

44、的形式不同分为电阻式（即电极式）、电容式和电感式等物位仪表。 电极式物位计利用物料的导电性能测量高低液位。也能够用于导电性较弱的液体和潮湿固体。（5）核辐射式物位仪表：利用核辐射线穿过物料时，物料对核辐射线的汲取特性进行测量，即核辐射线的透射强度随物质层的厚度而变化的原理。常用的是穿透力强的射线。目前，工业上使用的放射线物位计有连续式和间断式两种。（6）声波式物位仪表：利用声波在空气中传播速度不变的原理，通过检测声波发射和反射全过程的时刻间隔能够计算出物料界面到探头的距离，从而得到物位的高低。 （7）光学式物位仪表：利用一般白炽灯光或激光等作为光源，利用光波在传播中可被不同的物质界面遮断和反射

45、原理测量物位的。二.压差式液位变送器 依照流体静力学原理，静止液体内某一点的静压力与这一点之上的液柱高度成正比。利用压力或差压变送器能够专门方便地测量液柱压力或压差，将其转换成标准信号输出。工作原理 压差式液位变送器，是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的 这种抵消固定压差实现零点对齐的方法叫零点迁移。负迁移：用迁移弹簧平衡负压室上的固定压差所产生的阻碍的过程，叫负迁移。正迁移：用迁移弹簧平衡正压室上的固定压差所产生的阻碍的过程，叫正迁移。四.电容式物位传感器 是通过物位变化引起电容量变化去测量物位高低，由于直接把物位信号转换成电信号，便于远传，使用方便，适合测量液

46、位、固体粉末、颗粒状物的料位。1工作原理 当在电容器的极板之间，充以不同介质（液体或固体颗粒、粉末）时，其电容量要发生改变，电容量变化的大小与注入地深度成比例，只要测出电容量的变化，即可得到液位、料位或两种不同液体的分界面的高度。电容器是由两个同轴圆柱极板作为内外电极构成的。2. 液位的检测被测介质不同，电容式物位传感器也有不同的形式，测液体液位有测量导电液体和非导电液体之分。1）关于非导电介质液位测量的电容式液位传感器原理：当测量非导电液体，如轻油、某些有机液体以及液态气体的液位时，采纳的传感器由同轴金属套筒作为内外电极，外电极上开专门多小孔，使介质能流进电极之间，以被测介质为中间绝缘物质构

47、成同轴套筒形电容器。 当容器中没有液体时，内外电极之间的介质是空气和棒上的绝缘层，电容量专门小。当导电的液体上升到高度H时，其充液部分由于液体的导电作用，相当于将外电极由容器壁移近到内电极的绝缘层上，电容量大大增加，液位越高，覆盖面积越大，电容器3料位的检测用电容法测量固体颗粒及粉料的料位时，由于固体颗粒及粉料容易堵塞外电极的流通孔，造成“滞留”，因此一般不用双电极式电极。可用电极棒及容器壁组成电容器的两极来测量非导电固体颗粒。电容量的检测：电容量专门小（一般是几个到十几个pF），直接测量电容量变化不易且不准确，常常是通过电子线路将待测电容量转换成另一个电信号，再将电信号放大后进行测量。4）电

48、容式物位传感器的特点（1）结构简单、使用方便。但由于电容变化量不大，要精确测量，就需借助于较复杂的电子线路才能实现。可用交流电桥测量，也可用测量充放电电流的方法测定。（2）注意介质浓度、温度变化时，其介电常数也要发生变化，因此要及时调整仪表。（3）对粘稠的液体应注意其在电极上的黏附，以免阻碍仪表的精度。因为电极套管上粘附的一层被测介质会造成虚假的液位示值，使仪表所显示的液位比实际液位高。五.核辐射式物位计2特点（1）能透过钢板等各种固体物质，不接触被测物质，故适用于高温、高压容器、有毒、爆炸性等介质的物位测量。（2）不受外界环境（温度、压力、电磁场等）阻碍，故可在高温、烟雾、强磁场等环境下工作

49、。六.雷达式液位计微波是波长为0.0011m的电磁波，具有电磁波的性质，但又与一般的无线电波及光波不同。特点：（1）绕反射能力差，具有良好的定向辐射性能和传播特性。（2）遇到各种障碍物都能产生良好的反射，介质的导电性越好或介电常数越大，微波的反射效果越好。（3）在传输过程中受粉尘、烟雾、火焰及强光的阻碍小，具有专门强的环境适应能力。（4）空间辐射装置容易制造。1.雷达物位计的特点又称微波物位计，时20世纪60年代中期从油轮的液面测量上进展起来的一种仪表。（1）由于它具有无盲区、属于非接触测量，测量速度快，测量范围较大、灵敏度高、适应能力强，没有运动部件，测量精度几乎不受被测介质的温度、压力、相

50、对介电常数的阻碍，可用于在易燃易爆等恶劣环境。微波具有良好的定向辐射性，在传输过程中受火焰、灰尘、烟雾及强光的阻碍微小，因此适用于高温条件、蒸汽较大的场合下测量。（2）能够用来连续测量腐蚀性、高粘度或含固体颗粒、有毒的液体液位，最要紧的优点是抗干扰能力强。（3）微波传输不需要空气介质，因此在真空或受压条件下也能进行测量。七称重式液罐计量仪2.优点（1）检测元件能够不与被测液体接触，因此特不适合于强腐蚀性、高压、有毒、高粘度液体的测量。（2）由于没有机械可动部件，使用寿命专门长。但被测液体中不能有气泡和悬浮物，液面不能有专门大的波浪，否则反射的超声波将专门混乱，产生误差。（3）换能器怕热，亦不宜

51、用于高温液位的测量。（4）测量精度要紧受声速随温度变化的阻碍，必须采取措施消除声速变化的阻碍。超声波物位传感器特不适合检测高粘度液体（和粉状体）的物位。八检测仪表的进展趋势（1）传感器的输出信号的数字化。（2）智能化。（3）多功能化。（4）高性能化。（5）专用化。温度是表征物体冷热程度的物理量。温度检测方法温度不能直接测量, 只能借助于冷热不同物体之间的热交换, 以及物体的某些物理性质（如几何尺寸、导电率、热电势、辐射强度等等）随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。任意两个冷热程度不同的物体相接触，必定发生热交换现象，直到两物体的冷热程度完全一致。测温物质具备：某一物理特性随温度发生变化，

52、最好只与温度有关。随温度变化明显。测温范围要大。有一定的复现性、稳定性。温度计的分类:1.按使用的测量范围分 6000C以上的测温仪表叫高温计; 6000C以下的测温仪表叫温度计。2. 按用途分 标准仪表、有用仪表。3.按测量方式 （1）接触式：利用冷热不同物体（感温元件与被测对象）接触进行充分的热交换, 建立热平衡，感温元件与被测对象的温度相等，物体（感温元件）的温度变化，其某些物理性质（体积、电阻等） 也发生变化。仪表结构简单、使用方便，测温精度高，反应慢，有时破坏测温现场，感温元件易腐蚀，寿命有限。（2）非接触式：测温元件不与被测物体直接接触，只通过同意辐射或对流来实现测量的。是利用被测

53、对象的热辐射能量随其温度的变化而变化的原理，通过测量一定距离处被测物体发出的热辐射强度来确定被测对象的温度。测高温10002000，精度较低，测温范围广、快，可不能破坏被测温度现场。测量结果受被测物体的辐射能发射率、距离、空间介质的阻碍。4.按工作原理分 （1）膨胀式温度计：依照液体或固体热胀冷缩原理。液体温度计：水银和酒精，结构简单方便、准确，玻璃管强度差易损坏。（-80500）固体温度计：双金属(两热不同的金属焊接在一起)(2)压力式温度计:利用封闭体积内充以气体或液体热胀冷缩时压力随温度变化的原理测温（气体、液体、蒸汽）。如弹簧管式温度计 接触式温度计广泛用于汽车、拖拉机、飞机等。最大优

54、点；防爆、防震，因为没有电气元件。缺点：动态性能差，测量滞后大，不能用来测变化频繁的温度。(3) 热电阻温度计: 利用金属导体的电阻随温度变化而变化的性质，通过测量感温电阻阻值来测温。-200500精度高，便于远传和自动操纵。有铂电阻、铜电阻、镍铬电阻、半导体电子温度计等。（4）热电偶高温计：利用金属的热电现象。将两种不同的导体接触并构成回路，若两个接点温度不同，回路中产生热电势。通过测量热电偶输出的电动势测量温度。依照材料有铂铑铂热电偶、镍铬镍硅、镍铬考铜、铂铑30铂铑6等广泛用于各种设备。（5）辐射高温计：物体辐射能随温度而变化。广泛用于测量高于800的温度。（6）比色高温计：依照物体发光

55、的颜色随温度而变化。 非接触处式温度计（7）光学高温计：依照物体发光的亮度随温度而变化。膨胀式温度计和压力式温度计精度低，信号不易远传，一般不用于操纵系统中。非接触式测温仪表灵敏度高、响应速度快、不破坏被测温度现场、测温上限能达到3000.但易受外界干扰、测量误差较大，一般用于极高温度的测量或便携式的机动测量。工业装置中使用量最大的是热电偶温度计和热电阻温度计。双金属片：温度 双金属片变形自由端产生角位移传动机构放大指针偏转双金属温度信号器：当温度超过某一定值后，双金属片产生弯曲，与调节螺钉接触，接通电路，信号灯发亮，假如以继电器代替信号灯，电路通通过继电器吸开开关，电热丝停止加热，当温度低于

56、某一数值后，双金属片与螺钉不接触，电路断开，继电器断电，开关合，电热丝开始加热，使温度上升。称为两位式温度操纵器。温度的操纵范围可通过改变调节螺钉与双金属片之间的距离来调整。二.热电偶温度计热电偶是目前工业上和科研上最常用的一种测温元件。是以热电效应为基础的测量仪表，能将温度信号转换成热电势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器能够实现温度的测量指示或温度信号的转换。它的测量范围广（6001300，专门的可达2800）、性能稳定、复现性好、结构简单、体积小、响应时刻小、使用方便、测量准确可靠，便于信号的远传、自动记录和集中操纵，因而在测温领域应用极广泛。一般用于测量500以上的温度，（能

57、够在1600高温下长期使用）。1）热电效应及测温原理 （1）热电效应两根不同导体（或半导体）组成闭合回路,当两端处于不同温度时，在回路中就会产生热电势，引起热电流流淌，这种现象称为热电现象。产生热电势的三要素，不同材料、构成闭合回路、存在温差。热电势由两部分组成：温差电势、接触电势温差电势接触电势关于插入第三种导线的问题利用热电偶测温时，必须采纳某种仪表来测E，而仪表往往远离测温点，这就要把热电偶回路自由端断开，接导线C，C对EAB(t,t0)有无阻碍。 结论：热电偶回路中接入第三种导线时，只要保证引入导线的两端温度相同，则对原热电偶产生的热电势数值无阻碍。回路中串入更多种导线，只要引入导线两

58、端温度相同，也不阻碍热电偶所产生的热电势数值。用途：为接入仪表提供理论依据。 为开路测量金属壁面等提供依据。用开路热电偶可测熔融金属或金属壁面的温度，断开不阻碍热电势E。但必须保证两插入点的温度一致。3）常用热电偶种类（1）要求：电阻率高，能产生较大热电势，灵敏度要高，且热电势与t呈直线性或简单函数关系。耐高温，在测温范围内热电性质要稳定，不随时刻变化，导热性要好。物理化学性质要稳定，不易氧化与腐蚀。材料组织均匀，韧性好，易加工成丝。复现性要好（同种成分材料制成的热电偶，其热电性质均相同的性质），可互换使用。不同材质的热电偶有不同特性，应依照实际需要选择：测量范围、放大系数、测量精度、抗腐蚀能

59、力、价格等。成分检测及仪表所谓成分，是指在多种物质的混合物中某一种物质所占的比例。显示仪表：直接接收检测元件送来的信号，通过测量线路和显示装置，对被测量进行显示、记录或以字符、数字、图像形式显示的装置。显示仪表种类专门多按使用能源分：电动显示仪表；气动显示仪表按仪表显示装置的功能分 指示式仪表：显示被测量瞬时值 积算式仪表：显示被测量对时刻积分结果 记录式仪表：记录被测量随时刻变化的情况 信号报警式仪表：反映被测量是否超越同意限值按显示方式分：模拟式显示仪表：被测量是以仪表指针线性位移（或角位移）的形式进行连续模拟指示、记录。结构：信号放大、变换环节、电磁偏转机构（或伺服电机）、指示、记录机构

60、。由于人读数，测量准确度和测量速度都受到一定的限制，简单可靠，价格低廉，能反映变化趋势。数字式显示仪表：直接用数字量显示或数字形式记录（打印）被测值的仪表。原理：将各种连续变化的被测变量，通过模拟数字（A/D）转换器转换成对应的数字编码，然后进行数字显示。特点：测量和显示速度、精确度、灵敏度等均大大提高，数字显示清晰、醒目，无读数误差，便于远距离传送、远方观看。（3）计算机图象显示：将图形、曲线、字符和数字等直接在屏幕上进行显示，对多个变量进行集中显示，形象，由计算机操纵，大大提高显示功能。4.2数字式显示仪表数字式显示仪是直接用数字量显示被测值。一般应具备模数转换、非线性补偿及标度变换三大部